Cięcie płomieniowe
W skrócie:
- klasyczna metoda cięcia: cięcie płomieniowe od ponad 100 lat jest stosowane w przemyśle metalowym,
- ekonomiczny proces: zużywa głównie łatwo dostępne gazy (tlen oraz gaz palny, np. propan lub acetylen) oraz niedrogie urządzenia (palniki, reduktory, dysze),
- niezastąpione przy grubych blachach: jest to optymalna metoda szczególnie w przypadku cięcia elementów o dużej grubości (od kilku milimetrów do nawet kilkudziesięciu centymetrów).
- Co to jest cięcie płomieniowe i na czym dokładnie polega?
- Jaki gaz palny należy zastosować i czy czystość tlenu wpływa na proces?
- Jakie materiały można ciąć płomieniowo i co oznacza równoważnik węgla?
- Bezpieczeństwo pracy podczas cięcia płomieniowego
- Najczęściej zadawane pytania dotyczące cięcia płomieniowego
Co to jest cięcie płomieniowe i na czym dokładnie polega?
Cięcie płomieniowe to proces cięcia ogólnych stali konstrukcyjnych. Stosuje się zarówno cięcie ręcznie (palnik do cięcia ręcznego, najczęściej cięcia rozdzielające), jak i mechaniczne (maszyn do cięcia płomieniem, cięcia jakościowe).
Proces cięcia płomieniowego (mechanicznego) stracił na znaczeniu ze względu na rozwój stali o wyższej wytrzymałości oraz innych procesów cięcia, takich jak cięcie laserowe i plazmowe. Mimo to jest to nadal ekonomiczny proces cięcia dla blach o grubości od 20 mm. Cięcie płomieniowe jest procesem spalania/utleniania (podczas utleniania metale reagują z tlenem), w którym znaczna część energii potrzebnej do procesu pochodzi ze spalania materiału. Cięcie płomieniowe umożliwia jednoczesną pracę z kilkoma palnikami do cięcia.
Płomień grzewczy, mieszanina gazu palnego i tlenu, podgrzewa miejsce łączenia do temperatury zapłonu. Po jej osiągnięciu dodaje się tlen tnący i rozpoczyna się proces cięcia. W strumieniu tnącego tlenu stal spala się i powstaje tlenek żelaza (żużel). Ciśnienie i prędkość strumienia tlenu tnącego powodują wydalanie żużla z krawędzi cięcia. Aby móc przeprowadzić proces cięcia płomieniowego, stal musi być odpowiednio przygotowana do tego procesu. Podstawowym warunkiem jest więc, aby temperatura zapłonu (~1150°C) była niższa niż temperatura topnienia (~1500°C).
Jaki gaz palny należy zastosować i czy czystość tlenu wpływa na proces?
Gazy palne do procesu cięcia
Do cięcia płomieniowego można stosować typowe gazy palne:
- acetylen,
- propan,
- gaz ziemny (metan),
- etylen.
W zmechanizowanym procesie cięcia płomieniowego efektywność ekonomiczna jest zasadniczym kryterium, ale również warunki operacyjne, takie jak zaopatrzenie w gaz, ceny gazu, zużycie gazu itp. Wydajność płomienia (gaz palny) jest istotna dla rozpoczęcia procesu cięcia i dalszego procesu cięcia płomieniowego.
Spalanie związków węglowodoru odbywa się w dwóch etapach. W płomieniu pierwotnym następuje niecałkowite spalanie ze względu na dostarczany tlen. Dzięki absorpcji tlenu z otaczającego powietrza, gaz palny ulega całkowitemu spaleniu w płomieniu wtórnym. Gazy palne różnią się temperaturą płomienia i szybkością spalania, a tym samym mocą płomienia pierwotnego (kJ/cm2. S).
W procesach autogenicznych szczególne znaczenie ma wpływ płomienia pierwotnego.
Acetylen
- Najwyższa temperatura płomienia i wydajność płomienia pierwotnego.
- Wysoka wydajność cięcia w porównaniu z innymi gazami palnymi.
- W przypadku stałego zużycia gazu >500 l/h należy połączyć kilka butli gazowych (wiązka butli). Dostarczanie gazu jest więc bardziej złożone niż w przypadku propanu/etylenu
Propan
- Mniejsza wydajność płomienia pierwotnego, a tym samym mniejsza wydajność cięcia (szczególnie przy cięciu ukośnym).
- Wysokie czasy nagrzewania i przebijania.
- Zużycie tlenu w płomieniu jest około czterokrotnie wyższe w porównaniu do acetylenu.
- Propan jest przechowywany w stanie płynnym, dzięki czemu dostępne są większe ilości gazu.
Zadania tlenu
Tlen tnący
Tlen tnący jest gazem technologicznym, ma następujące zadania:
- utlenić (spalić) stal,
- wydalać produkty reakcji (żużle, tlenki żelaza) z krawędzi cięcia i w ten sposób ją tworzyć.
Tlen grzewczy
Tlen grzewczy jest potrzebny do spalania gazu palnego (płomień grzewczy). Duża moc płomienia powoduje bardziej efektywne cięcie płomieniowe. Standardowa czystość/jakość tlenu wynosi 99,5% obj. (2,5). Jakość ta jest decydująca w procesie cięcia płomieniowego. Przy wyższej czystości tlenu, np. 99,95% obj. (3,5), uzyskuje się wyższą wydajność i lepszą jakość cięcia.
Jakie materiały można ciąć płomieniowo i co oznacza równoważnik węgla?
Materiały, które spełniają warunki cięcia płomieniowego to:
- stal niestopowa,
- stal niskostopowa,
- staliwo,
- tytan.
Przydatność stali do cięcia płomieniowego
Na zdolność stali do cięcia płomieniowego wpływa nie tylko zawartość węgla, ale także liczba i ilość innych dodatków stopowych:
| Dodatki stopowe | Właściwości |
| Węgiel | Wszystkie niestopowe, czyste stale węglowe, również stale o zawartości węgla maks. 0,3%. Wyższa zawartość węgla wymaga wyższej temperatury podgrzewania, górna granica zawartości węgla wynosi 2%. |
| Krzem | Stale z maks. zawartością krzemu 2,5%, z maks. zawartością węgla 0,25%. |
| Mangan | Czyste stale manganowe do 13% Mn i 1,3% C. |
| Chrom | Zwiększanie zawartości chromu powoduje zmniejszenie skrawalności, maks. zawartość chromu wynosi 2,2%. Płomień podczas cięcia płomieniowego stali zawierających chrom z niewielkim nadmiarem acetylenu. |
| Nikiel | Stale z maks. zawartością niklu wynoszącą 5% mogą być bez problemu cięte płomieniowo. |
| Miedź | Stale o zawartości miedzi maks. 0,7%. |
| Wolfram | Zawartość wolframu może wynosić maks. 10%, przy 0,8% zawartości węgla. |
| Molibden | Molibden pogarsza właściwości cięcia płomieniowego, jest porównywalny z chromem. |
| Aluminium | Typowa zawartość aluminium nie wpływa na skrawalność |
Równoważnik węgla CEV:
Około 80% stali konstrukcyjnych może ciąć płomieniowo bez żadnych problemów, tzn. bez dodatkowego podgrzewania. Podgrzewanie wstępne należy zastosować dla blach o grubości >30 mm. Do określenia temperatury podgrzewania wstępnego można wykorzystać wzór na równoważnik węgla.
Dla oceny, od jakiej grubości blachy, lub dla jakich materiałów konieczne jest wstępne podgrzewanie, aby uniknąć zwiększenia twardości, można zastosować równoważnik węgla dla stali.
Bezpieczeństwo pracy podczas cięcia płomieniowego
Podczas cięcia płomieniowego może wystąpić kilka zagrożeń dla higieny i bezpieczeństwa pracy:
| Dym, pył |
|
| Gazy azotowe lub tlenki azotu, NOx |
|
| Promieniowanie optyczne | Promieniowanie optyczne emitowane przez płomień grzewczy może powodować uszkodzenia oczu. |
| Hałas | Poziom dźwięku podczas cięcia płomieniowego, zwłaszcza przy użyciu dysz o dużej mocy, może przekraczać 85 dB (wartość graniczna narażenia). Zaleca się stosowanie środków ochrony słuchu. |
Szkodliwe gazy, opary, dym i pyły muszą być odsysane, szczególnie w pomieszczeniach zamkniętych.
Najczęściej zadawane pytania (FAQ) dotyczące cięcia płomieniowego
Na czym polega cięcie płomieniowe?
Jest to proces spalania (utleniania), w którym mieszanina gazu palnego i tlenu podgrzewa stal do temperatury zapłonu (ok. 1150°C). Następnie, dzięki strumieniowi tlenu tnącego, stal ulega spaleniu, a powstałe tlenki żelaza (żużel) są wydalane z krawędzi cięcia.
Jakie gazy palne można stosować w procesie cięcia płomieniowego?
Do cięcia płomieniowego wykorzystuje się acetylen, propan, gaz ziemny (metan) oraz etylen. Wybór zależy od warunków operacyjnych i ekonomicznych. Acetylen charakteryzuje się najwyższą temperaturą płomienia i wydajnością cięcia, podczas gdy propan jest przechowywany w stanie płynnym, co pozwala na dostęp do większych ilości gazu przy nieco mniejszej wydajności.
Czy czystość tlenu ma wpływ na jakość cięcia?
Tak. Standardowa czystość tlenu wynosi 99,5% obj. (2,5). Stosowanie tlenu o wyższej czystości, na przykład 99,95% obj. (3,5), pozwala uzyskać lepszą jakość cięcia oraz wyższą wydajność procesu.
Jakie materiały można ciąć płomieniowo?
Metoda ta jest przeznaczona do stali niestopowych i niskostopowych, staliwa oraz tytanu. Przydatność materiału do cięcia płomieniowego zależy od zawartości węgla oraz innych dodatków stopowych, takich jak chrom, nikiel, mangan czy krzem.
Dlaczego oblicza się równoważnik węgla (CEV)?
Równoważnik węgla pozwala określić, czy dla danego materiału i grubości blachy (szczególnie powyżej 30 mm) wymagane jest podgrzewanie wstępne. Pozwala to uniknąć niepożądanego zwiększenia twardości materiału w trakcie procesu.
Jakie zagrożenia dla bezpieczeństwa wiążą się z cięciem płomieniowym?
Główne zagrożenia to emisja szkodliwych pyłów, dymów oraz tlenków azotu (NOx), dlatego niezbędne jest odsysanie oparów, zwłaszcza w zamkniętych pomieszczeniach. Ponadto należy stosować środki ochrony słuchu (hałas może przekraczać 85 dB) oraz okulary ochronne o stopniu ochrony 4-5 w celu ochrony wzroku przed promieniowaniem optycznym.